Auf zwei hawaiianischen Bergen beweist NIST Ultra

Sep 14, 2023

Eine genaue Zeitmessung spielt eine entscheidende Rolle bei der Synchronisierung zahlreicher Systeme auf der ganzen Welt, von Telekommunikations- und Stromnetzen bis hin zu Präzisionssensorik und wissenschaftlicher Forschung. Traditionell wird dieser Prozess durch die Kommunikation mit Satelliten erreicht, die Atomuhren nutzen. Diese Uhren können die Zeit bestimmen, indem sie die Resonanzfrequenzen von Atomen bestimmter Elemente wie Cäsium und Rubidium auslesen.

Die nächste Generation dieser Technologie, die sogenannte optische Uhr, nutzt Elemente mit höheren Resonanzfrequenzen wie Strontium und Ytterbium und erfordert Lasersysteme zur Messung. Am wichtigsten ist, dass optische Uhren ein viel höheres Maß an Präzision bei der Zeitmessung bieten.

In diesem Artikel wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, das kürzlich vom National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelt wurde, um optische Uhren zu synchronisieren, ohne dabei auf die Wiedergabetreue verzichten zu müssen.

Letztes Jahr führte ein Forscherteam des NIST auf den Berggipfeln von Hawaii ein Experiment zur optischen Zeitübertragung durch, in der Hoffnung, eine zuverlässige Methode zu entwickeln, die großen Freiraumnetzwerken dabei helfen könnte, bestehende bodengestützte optische Uhren und den zukünftigen Weltraum zu verbinden -basierte optische Uhren.

Die Forscher platzierten ein Lasermodul auf dem Vulkan Mauna Loa und richteten es auf einen Reflektor auf dem Haleakala-Gipfel auf Maui. Über eine Entfernung von etwa 150 Kilometern sendeten die Wissenschaftler ein äußerst präzises Zeitsignal durch die Luft, und zwar mit einer Leistung, die mit künftigen Weltraummissionen kompatibel sein könnte.

Die Forscher vermuten, dass dieses System die Zeitübertragung von Bodenstationen auf Satelliten ermöglichen könnte, die 36.000 Kilometer über der Erde (in einer geosynchronen Umlaufbahn) platziert sind, und so optische Uhren effektiv mit einer Genauigkeit von Femtosekunden (einem Billiardstel einer Sekunde) synchronisieren könnte. Laut NIST würde dies zu einer etwa 10.000 Mal höheren Präzision im Vergleich zu den Ansätzen nach dem Stand der Technik führen. Darüber hinaus kann ihr System nur mit der absolut minimalen Zeitsignalstärke arbeiten, ohne dabei an Wiedergabetreue zu verlieren, was es äußerst robust bei der Abschwächung atmosphärischer Störungen macht.

Die Synchronisierung von Instrumenten über weite Entfernungen mit dieser Art von Präzision eröffnet eine Fundgrube neuer Möglichkeiten, insbesondere im Bereich der Physik, und bietet Wissenschaftlern einen Weg zu einem tieferen Verständnis der Struktur des Universums. Diese Methode kann beispielsweise beim Testen der Allgemeinen Relativitätstheorie helfen und sogar Einblicke in die Zusammensetzung der Dunklen Materie geben. Außerhalb optischer Uhren kann die Verbindung von Arrays von Sensoren, die in großen Abständen voneinander angeordnet sind, die Interferometrie mit sehr langer Basislinie (VLBI) vorantreiben, die zur Verbesserung der Bildgebung von Schwarzen Löchern eingesetzt werden könnte.

Die Methode des NIST, Satelliten mit optischen Uhren auf gegenüberliegenden Seiten der Welt zu verbinden, könnte die SI-Sekunde zu einem optischen Standard umdefinieren, indem sie in noch kleinere Teile aufgeteilt wird. Dies ist dank einer Weiterentwicklung möglich, die als Frequenzkamm bekannt ist.

Ein Frequenzkamm ist eine mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Entdeckung, die oft als Lichtlineal beschrieben wird, das sehr fein getrennte Wellenlängen erzeugen kann, die mit einem hohen Maß an Genauigkeit gemessen werden. Mit dieser Technologie können Wissenschaftler die Atome in optischen Uhren präzise mit Energie versorgen und die Terahertz-Schwingungsfrequenzen in niedrigere umwandeln.

Für ihr Experiment entwickelte das Team vom NIST eine verbesserte Version des Frequenzkamms, den sogenannten zeitprogrammierbaren Frequenzkamm. Laut Laura Sinclair, einer Physikerin am NIST-Campus in Boulder und einer der Autoren des Artikels, verstößt diese Methode gegen die Regel der Frequenzkämme, die die Verwendung eines festen Pulsabstands für einen präzisen Betrieb erfordert – was es den Wissenschaftlern ermöglicht, äußerst genaue Ergebnisse zu erzielen Ergebnisse, selbst wenn ein System nur wenig Licht zum Arbeiten hat.

Dank des zeitprogrammierbaren Frequenzkamms konnten Forscher das Signal von Mauna Loa nach Haleakala in einer Hin- und Rückfahrt von 300 Kilometern mit nur 40 Mikrowatt Leistung und nur der minimalen Signalstärke senden, die für die Synchronisierung von Geräten erforderlich ist (bekannt als Quantengrenze). . In diesem Experiment durchdrang das Signal mehr atmosphärische Störungen, als es jemals auf einer möglichen Reise vom Boden in die geosynchrone Umlaufbahn treffen würde.

Letztendlich besteht das Ziel des NIST-Teams darin, auf der Grundlage ihrer jüngsten Entdeckungen das Rückgrat zukünftiger Sensornetzwerke zu bilden. Um diese Technologie zu verbessern, müssen die Forscher die Größe, das Gewicht und den Stromverbrauch dieses Geräts reduzieren und es für den Einsatz in mobilen Systemen anpassen, vor allem in Satelliten.

Da es sich bei NIST um eine Institution mit langjähriger Tradition als offizielles Standardisierungsgremium der Vereinigten Staaten handelt, wird diese Technologie wahrscheinlich irgendwann in naher Zukunft standardisiert und in vielen Labors implementiert.

Während die Synchronisierung mit Femtosekundengenauigkeit für die meisten Kommunikationsnetze kein vorrangiges Upgrade ist, bietet diese Technologie neues Potenzial für Sensor- und Messanwendungen, das Wissenschaftler und Ingenieure zur Entwicklung neuartiger Systeme veranlassen könnte.